后被授予准尉、少尉、中尉衔。1903年报考保定陆军速成学堂测绘科，学业一年，1904年毕业后被分配到北洋督练公所参谋处工作。于是被差遣去烟台芝罘日本守田利远军事谍报机构从事谍报工作。主要负责收集俄国在中国东北驻军的军事情报。月饷50元大洋，除去吃喝开支和寄回家中以外还有不少积蓄。加上其他津贴，半年多时间吴佩孚便积蓄到300元大洋。
日俄战争期间，清政府暗中协助日方作战。于是，在北洋督练公所参谋处任职的吴佩孚，奉命为日本人搜集俄军情报。一次，吴佩孚携带重要资料到新民屯开会，他从锦州登车前往。沿途非俄军战领地，比较安全，快抵达新民屯时，大队俄军突然出现，截住火车搜查。吴佩孚在劫难逃，有手提的情报资料为证，他被俄军以“大间谍”之名，抓到沈阳俄军总部。俄军严加审讯，吴佩孚一口咬定，自己刚从军校毕业，正在搜集资料，私下进行日俄战争研究，并对日俄战争发表看法。审讯没有结果，俄军司令大为光火，大笔一挥，判吴死刑。将要执行之际，哈尔滨俄军情报单位又要提审吴佩孚，吴于是由两个俄军士兵押解，乘火车转往哈尔滨。说出来可笑，俄军方居然按俄军上尉出差待遇，给吴20卢布旅费。途中，吴佩孚冷眼旁观两个俄军士兵，发现他们烟瘾极大，又非常吝惜，便灵机一动，在新台子车站，用10卢布买了一大堆香烟。他并不抽烟，也不请两个俄军士兵抽。火车途经乱石山时，因爬坡而减速，吴佩孚作手势，要上厕所。两个俄军士兵一心惦记那堆香烟，谁也不愿奉陪，挥手叫吴自己去。吴心中暗喜，从容地走过车厢，回头望去，只见两俄国兵背对着他，头顶上冒出团团烟雾，正
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